DE60025355T2 - STRAIN GAUGES - Google Patents

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Description

TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL TERRITORY

Die Erfindung betrifft ein beispielsweise bei einem Drucksensor oder einer Messdose zu verwendendes Verspannungsmessgerät.The The invention relates to an example in a pressure sensor or a load cell to be used.

STAND DER TECHNIKSTATE OF TECHNOLOGY

Herkömmlich wurde ein Dünnschichtverspannungsmessgerät bei einem Automobildrucksensor, einem Drucksensor zum Messen von Druck oder einer Last, einer Messdose und dergleichen verwendet.Became conventional a thin film strain gauge at a Automobile pressure sensor, a pressure sensor for measuring pressure or a load, a load cell and the like used.

Genauer ist ein Dünnschichtverspannungsmessgerät auf einer unmittelbar auf dem Metalldiaphragma eines Drucksensors oder dem Trägerelement einer Messdose bereitgestellten isolierenden Schicht ausgebildet, und wird zur Druckmessung usw. verwendet.More accurate is a thin film strain gauge on one directly on the metal diaphragm of a pressure sensor or the support element formed insulating layer provided a load cell, and is used for pressure measurement, etc.

Ein Fall bei dem ein Verspannungsmessgerät in einem Drucksensor verwendet wird, ist nachstehend unter Bezugnahme auf die 3 und 4 beschrieben.A case where a strain gauge is used in a pressure sensor will be described below with reference to FIGS 3 and 4 described.

3 zeigt eine schematische Ansicht zur Darstellung eines Hauptabschnitts eines Drucksensors und 4 zeigt ein Schaltbild des in 3 gezeigten Drucksensors. 3 shows a schematic view showing a main portion of a pressure sensor and 4 shows a diagram of the in 3 shown pressure sensor.

Wenn gemäß 3 ein Verspannungsmessgerät in einem Drucksensor verwendet wird, wird ein aus vier Messinstrumentschichten (12, 13, 14 und 15) bestehendes Messinstrumentmuster beispielsweise auf einem Metalldiaphragma 5 durch die Zwischenlagerung einer isolierenden Schicht durch einen Photolithographievorgang oder dergleichen ausgebildet.If according to 3 a strain gauge is used in a pressure sensor, one of four gauge layers ( 12 . 13 . 14 and 15 ) existing Meßmustermuster example on a metal diaphragm 5 formed by the intermediate storage of an insulating layer by a photolithography process or the like.

4 zeigt zudem ein Schaltbild des Musters. 4 also shows a schematic of the pattern.

Aufgrund des vorstehend beschriebenen Aufbaus führt eine beliebige Änderung bei dem Druck (der Verspannung) auf dem Diaphragma 5 zu einer entsprechenden Verformung des Diaphragmas 5.Due to the structure described above, any change in the pressure (strain) on the diaphragm will result 5 to a corresponding deformation of the diaphragm 5 ,

Somit führt eine Verformung des Diaphragmas 5 zu einer Änderung der Verspannungsanteile in den jeweiligen auf dem Diaphragma 5 ausgebildeten Messinstrumentschichten 12, 13, 14 und 15.Thus, deformation of the diaphragm results 5 to a change in the bracing portions in the respective on the diaphragm 5 trained meter layers 12 . 13 . 14 and 15 ,

Gemäß 3 variiert der Verspannungskoeffizient auf dem Diaphragma 5 gemäß der Position, so dass die Verspannungsanteile der jeweiligen Messinstrumentschichten 12, 13, 14 und 15 nicht dieselben sind. Wenn die Verspannungsanteile der jeweiligen Messinstrumentschichten 12, 13, 14 und 15 somit in Reaktion auf eine Änderung im Druck geändert werden, werden die elektrischen Widerstände der jeweiligen Messinstrumentschichten 12, 13, 14 und 15 ebenfalls verändert.According to 3 varies the strain coefficient on the diaphragm 5 according to the position, so that the bracing portions of the respective Meßinstrumentschichten 12 . 13 . 14 and 15 are not the same. When the bracing portions of the respective meter layers 12 . 13 . 14 and 15 thus changed in response to a change in pressure, the electrical resistances of the respective Meßinstrumentschichten 12 . 13 . 14 and 15 also changed.

Somit ändern sich die in 4 gezeigten Widerstandswerte R1, R2, R3 und R4 gemäß dem Druck, so dass die Ausgangsspannung V1 bezüglich der Eingangsspannung V0 verändert wird. Da die Ausgangsspannung V1 gemäß der Druckänderung linear verändert wird, ist es möglich, den Druck aus der Ausgangsspannung V1 zu messen.Thus, the change in 4 shown resistance values R 1 , R 2 , R 3 and R 4 according to the pressure, so that the output voltage V1 is changed with respect to the input voltage V0. Since the output voltage V1 is linearly changed according to the pressure change, it is possible to measure the pressure from the output voltage V1.

Die vorstehend beschriebenen bekannten Techniken bringen jedoch die nachstehend angeführten Probleme mit sich.The However, the known techniques described above bring the problems listed below with himself.

Die für das Material für die Messinstrumentschicht erforderlichen Haupteigenschaften zum Erzielen einer Verbesserung bei der Leistungsfähigkeit und den Eigenschaften eines derartigen Drucksensors oder dergleichen sind wie folgt: (1) kleiner Temperaturkoeffizient des Widerstandes (nachstehend mit TCR bezeichnet), (2) eine hohe Dehnungsempfindlichkeit (K-Faktor), (3) ein hoher spezifischer Widerstand, (4) eine geringe Änderung des Widerstands mit der Zeit, (5) Unabhängigkeit der Dehnungsempfindlichkeit von der Temperatur usw.The for the Material for the meter layer required main features to Achieving an improvement in performance and properties of such a pressure sensor or the like are as follows: (1) small temperature coefficient of resistance (below with TCR), (2) a high strain sensitivity (K-factor), (3) a high resistivity, (4) a slight change resistance with time, (5) independence of strain sensitivity from the temperature etc.

In Anbetracht dessen wurde ein Metallverspannungsmessgerät beispielsweise aus NiCr in die praktische Verwendung genommen. Als Ergebnis der Verbesserung bei den verschiedenen Leistungsfähigkeiten von Fahrzeugen und anderen Geräten, bei denen der Drucksensor oder dergleichen verwendet wird, stieg jedoch die Nachfrage für eine Verbesserung bei der Leistungsfähigkeit und den Eigenschaften von verschiedenen Teilen und Sensoren, und für die im Stand der Technik verwendeten Materialien ist es schwierig, diese Nachfrage zu erfüllen.In view of this, a metal strain gauge made of, for example, NiCr has been put to practical use. However, as a result of the improvement in the various performances of vehicles and other devices using the pressure sensor or the like, the demand for improvement in the performance and the characteristics of various has increased NEN parts and sensors, and for the materials used in the prior art, it is difficult to meet this demand.

Wenn beispielsweise ein Siliziumhalbleiter für das Messinstrumentmaterial verwendet wird, das eine hohe Dehnungsempfindlichkeit von ungefähr mehreren Zehn aufweist, zeigt dies eine hohe Empfindlichkeit bezüglich einer Druckänderung, und erweist sich somit als effektives Material. Sein TCR ist jedoch recht groß, und seine Linearität ist unzulänglich, so dass es für eine genaue Messung nötig ist, eine spezielle Vorrichtung zur Temperaturkompensation bereitzustellen.If For example, a silicon semiconductor for the meter material is used, which has a high strain sensitivity of about several Having ten, this shows a high sensitivity to a Pressure change, and thus proves to be effective material. His TCR is however pretty big, and his linearity is inadequate, so it for a precise measurement needed is to provide a special device for temperature compensation.

Für eine Verwendung als Messinstrumentmaterial weist ein beispielsweise aus einer Legierung der NiCr-Art oder einer Legierung der CuNi-Art bestehendes Metallmaterial einen geringen TCR auf (einige bis einige Hunderte ppm/K). Andererseits weist es eine geringe Dehnungsempfindlichkeit von ungefähr 2 auf, was zu einer geringen Empfindlichkeit gegenüber einer Druckänderung führt.For a use as a meter material has, for example, an alloy NiCr type or CuNi type alloy metal material a low TCR (several to several hundreds ppm / K). on the other hand it has a low strain sensitivity of about 2, resulting in a low sensitivity to a pressure change leads.

Als Messinstrumentmaterial mit einer hohen Dehnungsempfindlichkeit wurde ein Chrommaterial (mit einer Dehnungsempfindlichkeit von ungefähr 10) untersucht. Aufgrund seiner schlechten Ausgabetemperaturcharakteristik (TCR, usw.) wurde es jedoch noch nicht in die praktische Verwendung genommen.When Instrument material with a high strain sensitivity was a chromium material (with a strain sensitivity of about 10) was examined. Due to its poor output temperature characteristic (TCR, etc.), however, it has not yet been put to practical use.

Auf diese Weise wird bei der Auswahl eines Materials mit einem geringen TCR eine geringe Dehnungsempfindlichkeit mit einbezogen. Andererseits bezieht die Auswahl eines Materials mit einer hohen Dehnungsempfindlichkeit einen großen TCR mit ein. Somit war es im Stand der Technik unmöglich, gleichzeitig eine hohe Dehnungsempfindlichkeit und einen kleinen TCR zu erzielen.On This way is used when choosing a material with a low TCR included a low strain sensitivity. on the other hand refers to the selection of a material with a high strain sensitivity a big TCR with one. Thus, it was impossible in the prior art, at the same time a high strain sensitivity and a small TCR.

Von diesem Standpunkt aus wurde ebenfalls ein Metalldünnschichtverspannungsmessgerät vorgeschlagen, bei dem ein Widerstand aus einer Fe-Cr-Al-Legierungsdünnschicht durch Verdampfung, Zerstäuben oder dergleichen in eine Schicht als der Widerstand eines Metalldünnschichtmessgerätes ausgebildet ist (vergleiche beispielsweise die Druckschrift JP-A-137804 (1994)).From From this point of view, a metal thin film strain gauge has also been proposed, wherein a Fe-Cr-Al alloy thin-film resistor by evaporation, Atomize or The like is formed into a layer as the resistance of a metal thin-film meter is (see for example the document JP-A-137804 (1994)).

Selbst bei diesem Verspannungsmessgerät war jedoch die Dehnungsempfindlichkeit noch immer eher gering. Somit gab es eine Nachfrage für ein Verspannungsmessgerät mit einer hohen Dehnungsempfindlichkeit und einem verringerten Temperaturkoeffizienten des Widerstandes.Even with this strain gauge However, the strain sensitivity was still rather low. Consequently there was a demand for a tension measuring device with a high strain sensitivity and a reduced temperature coefficient of resistance.

Darüber hinaus offenbart die Druckschrift US 4 462 218 ein Halbleiterverspannungsmessgerät mit integrierten Kompensationswiderständen, wobei auf einem Basismaterial, wie etwa einem Substrat, verschiedene Schichten für den Erhalt einer integrierten Temperaturkompensation durch Bereitstellung von verschiedenen Materialien mit verschiedenen Temperaturkoeffizienten des Widerstandes (TCR) angeordnet sind. Dafür werden Messinstrumentwiderstände aus einer Platinlegierung auf einer Siliziumdioxidschicht zur Ausbildung einer Widerstandsbrückenschaltungskonfiguration angeordnet. Die Materialien mit einem negativen oder positiven Wärmekoeffizienten des Widerstandes stellen eine Teilkompensation der Temperaturabhängigkeit der Widerstände des Verspannungsmessgerätes für eine reduzierte Temperaturabhängigkeit und eine ausreichend große Dehnungsempfindlichkeit bereit.In addition, the document discloses US 4,462,218 a semiconductor strain gauge with integrated compensation resistors, wherein on a base material, such as a substrate, different layers are arranged for obtaining integrated temperature compensation by providing different materials with different temperature coefficients of resistance (TCR). Therefore, platinum alloy gauge resistors are placed on a silicon dioxide layer to form a resistance bridge circuit configuration. The materials having a negative or positive thermal coefficient of resistance provide partial compensation of the temperature dependence of the resistances of the strain gauge for a reduced temperature dependence and a sufficiently high strain sensitivity.

Die Druckschrift US 5 549 006 offenbart einen Druckwandler, der verschiedene Schichten aus Halbleitermaterialien mit einer ersten Leitungsart verwendet, die einen negativen Temperaturkoeffizienten des Widerstandes zeigen, und mit einer zweiten Leitungsart, die der ersten Leitungsart entgegengesetzt ist, und die einen positiven Temperaturkoeffizienten des Widerstandes zeigt. Die Sensoren sind zur Ausbildung einer Widerstandsbrücke zur Bewertung ihrer Ausgangssignale elektrisch verbunden. Die verschiedenen Temperaturkoeffizienten des Widerstandes stellen eine Kompensation für die Temperaturabhängigkeit des Druckwandlers bereit. Eine Temperaturabhängigkeit wird für den Erhalt einer erhöhten Genauigkeit der Druckmessung stark unterdrückt.The publication US 5,549,006 discloses a pressure transducer employing different layers of semiconductor materials having a first conductivity type exhibiting a negative temperature coefficient of resistance, and having a second conductivity type opposite to the first conductivity type and exhibiting a positive temperature coefficient of resistance. The sensors are electrically connected to form a resistance bridge for evaluating their output signals. The different temperature coefficients of the resistor provide compensation for the temperature dependence of the pressure transducer. Temperature dependence is greatly suppressed for obtaining increased accuracy of pressure measurement.

Die Druckschrift US 3 753 270 offenbart ein verspannungsempfindliches Halbleiterelement mit einem vorbestimmten Temperaturkoeffizienten des Widerstandes, wobei verschiedene Temperaturkoeffizienten des Widerstandes durch Dotieren von Verunreinigungen in einem Halbleiterkristallwafer bereitgestellt werden. Verschiedene Bereiche derselben Leitungsart, aber mit verschiedenen Temperaturkoeffizienten des Widerstandes, werden erhalten. Die anteiligen Volumen der Bereiche werden durch Einstellen der relativen Volumen der vielen Bereiche für den Erhalt von spezifischen gewünschten Temperaturkoeffizienten des Widerstandes variiert.The publication US 3,753,270 discloses a strain-sensitive semiconductor element having a predetermined temperature coefficient of resistance wherein different temperature coefficients of resistance are provided by doping impurities in a semiconductor crystal wafer. Different regions of the same conduction type but with different temperature coefficients of resistance are obtained. The proportionate volumes of the regions are varied by adjusting the relative volumes of the many regions for obtaining specific desired temperature coefficients of resistance.

Schließlich offenbart die Druckschrift US 5 508 676 ein Verspannungsmessgerät auf einer flexiblen Stütze, wobei das Messinstrument eine Dünnschicht umfasst, die gegenüber Verformungen empfindlich ist, und die in Widerstandsform geätzt und auf einer flexiblen Stütze fixiert ist. Die Dünnschicht weist zumindest zwei darunter liegende Schichten mit verschiedenen Kriechwerten bezüglich der Verformung auf. Eine erste darunter liegende Schicht, die vorzugsweise aus einer Legierung ausgebildet ist, weist einen positiven Kriechwert auf, wohingegen eine zweite unterliegende Schicht einen negativen Kriechwert aufweist. Eine Kompensation des Temperaturkoeffizienten für den Widerstand wird erhalten.Finally, the document discloses US 5,508,676 a strain gauge on a flexible Support, wherein the measuring instrument comprises a thin layer which is sensitive to deformation, and which is etched in resistance and fixed on a flexible support. The thin film has at least two underlying layers with different creep values with respect to the deformation. A first underlying layer, which is preferably formed of an alloy, has a positive creep value, whereas a second underlying layer has a negative creep value. A compensation of the temperature coefficient for the resistance is obtained.

Die Erfindung erfolgte zur Lösung des vorstehenden Problems im Stand der Technik. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verspannungsmessgerät mit einer hohen Dehnungsempfindlichkeit und einem verringerten Temperaturkoeffizienten des Widerstands (TCR) bereitzustellen, um dadurch eine Verbesserung bezüglich der Leistungsfähigkeit zu erzielen.The Invention was for solution the above problem in the prior art. It's up to you underlying, a strain gauge with a high strain sensitivity and a reduced temperature coefficient of resistance (TCR) to provide an improvement in terms of capacity to achieve.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verspannungsmessgerät gemäß den beigefügten Patentansprüchen gelöst.According to the invention this Problem solved by a stress measuring device according to the appended claims.

Das erfindungsgemäße Verspannungsmessgerät umfasst insbesondere eine geschichtete Struktur, die eine aus einem positiven TCR-Material ausgebildete erste Schicht und eine aus einem negativen TCR-Material ausgebildete zweite Schicht beinhaltet. Die erste und zweite Schicht umschließen sandwichartig eine Zwischenschicht. Die erste Schicht ist aus einem Material ausgebildet, dessen Temperaturkoeffizient des Widerstandes positiv ist, und die zweite Schicht ist aus einem Material ausgebildet, dessen Temperaturkoeffizient des Widerstandes negativ ist, und die Zwischenschicht ist zur Vermeidung von wechselseitigen Diffusionen der jeweiligen Materialien der ersten und zweiten Schicht bereitgestellt.The comprises tension measuring device according to the invention in particular a layered structure, one of a positive TCR material formed first layer and one of a negative TCR material formed second layer includes. The first and enclose second layer sandwiched an intermediate layer. The first layer is one Material formed whose temperature coefficient of resistance is positive, and the second layer is formed of a material whose temperature coefficient of resistance is negative, and the Interlayer is to avoid mutual diffusion of the respective materials of the first and second layers.

Selbst falls zum Erzielen eines Anstiegs in der Dehnungsempfindlichkeit des Verspannungsmessgerätes als Ganzes Materialien mit einer hohen Dehnungsempfindlichkeit als Materialien zum Ausbilden der ersten und zweiten Schicht ausgewählt werden, ist es somit möglich, den Temperaturkoeffizienten des Widerstands des Verspannungsmessgerätes als Ganzes zu reduzieren, da die Materialien einen positiven bzw. negativen Temperaturkoeffizienten des Widerstandes aufweisen. Zudem stellt aufgrund der geschichteten Struktur jede Schicht eine Grenzflächenwirkung bereit, um dadurch die Dehnungsempfindlichkeit weiter zu erhöhen. Die erste Schicht ist vorzugsweise aus einem kristallinen Metallmaterial ausgebildet, und die zweite Schicht ist vorzugsweise aus einem amorphen Material ausgebildet. Die zweite Schicht ist vorzugsweise aus Tantal ausgebildet.Even if to increase the strain sensitivity of the tension measuring device as a whole materials with a high strain sensitivity than Materials for forming the first and second layers are selected is it thus possible the temperature coefficient of the resistance of the tension measuring device as Whole to reduce, because the materials have a positive or negative Have temperature coefficient of resistance. It also provides due to the layered structure, each layer has an interface effect ready to thereby further increase the strain sensitivity. The The first layer is preferably made of a crystalline metal material formed, and the second layer is preferably made of an amorphous Material formed. The second layer is preferably tantalum educated.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGSUMMARY THE DRAWING

1 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Verspannungsmessgerätes gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung (mit einer Zweischichtstruktur); 1 shows a schematic sectional view of a strain gauge according to an embodiment of the invention (with a two-layer structure);

2 zeigt eine Schnittansicht eines Verspannungsmessgerätes gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung (mit einer Dreischichtstruktur); 2 shows a sectional view of a strain gauge according to an embodiment of the invention (with a three-layer structure);

3 zeigt eine beschreibende Ansicht eines Hauptabschnitts eines Drucksensors; und 3 shows a descriptive view of a main portion of a pressure sensor; and

4 zeigt ein Schaltbild des in 3 gezeigten Drucksensors. 4 shows a diagram of the in 3 shown pressure sensor.

BESTE AUSFÜHRUNGSFORM ZUM AUSFÜHREN DER ERFINDUNGBEST EMBODIMENT TO EXECUTE THE INVENTION

Bevorzugte Ausführungsbeispiele und Beispiele der Erfindung sind nachstehend beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es ist angemerkt, dass die Dimensionen, Materialien, Konfigurationen, positionelle Beziehungen usw. der in den Ausführungsbeispielen und Beispielen angegebenen Bestandteile nicht als den in den beigefügten Patentansprüchen spezifizierten Erfindungsbereich beschränkend zu verstehen sind.preferred embodiments and examples of the invention are exemplified below Reference to the drawing closer described. It should be noted that the dimensions, materials, Configurations, positional relations, etc. in the embodiments and examples of specified ingredients are not as specified in the appended claims Restricting scope of invention to be understood.

Zudem ist das Verspannungsmessgerät gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung auf verschiedene gutbekannte Sensoren oder ähnliches anwendbar, abgesehen von dem vorstehend im Zusammenhang mit dem Stand der Technik unter Bezugnahme auf die 3 und 4 beschriebenen Drucksensor. Da derartige Sensoren zu einer gut bekannten Technik gehören, wird jedoch deren Beschreibung weggelassen.In addition, the strain gauge according to the embodiment of the invention is applicable to various well-known sensors or the like, except as described above in connection with the prior art with reference to FIGS 3 and 4 described pressure sensor. However, since such sensors are well known in the art, their description is omitted.

Verspannungsmessgeräte gemäß den Ausführungsbeispielen der Erfindung sind nachstehend unter Bezugnahme auf die 1 und 2 beschrieben.Tension measuring devices according to the embodiments of the invention are described below with reference to FIGS 1 and 2 described.

Die 1 und 2 zeigen Schnittansichten von Verspannungsmessgeräten gemäß Beispielen und Ausführungsbeispielen der Erfindung. 1 zeigt eine Zweischichtstruktur und 2 zeigt eine Dreischichtstruktur.The 1 and 2 show sectional views of strain gauges according to examples and embodiments of the invention. 1 shows a two-layer structure and 2 shows a three-layer structure.

Zunächst ist das in 1 gezeigte Verspannungsmessgerät beschrieben.At first this is in 1 described tension measuring device described.

Gemäß der Zeichnung ist ein Verspannungsmessgerät 10 auf einem Substrat 2 ausgebildet und zwischen einem Paar Elektroden 3 und 4 angeordnet.According to the drawing is a strain gauge 10 on a substrate 2 formed and between a pair of electrodes 3 and 4 arranged.

Das Verspannungsmessgerät 10 weist eine geschichtete Struktur auf, die sich aus einer aus einem Material mit positivem TCR ausgebildeten ersten Schicht 10a und einer aus einem Material mit einem negativen TCR ausgebildeten zweiten Schicht 10b zusammensetzt.The tension measuring device 10 has a layered structure composed of a first layer formed of a positive TCR material 10a and a second layer formed of a material having a negative TCR 10b composed.

Diese geschichtete Struktur stellt einen Grenzflächeneffekt zwischen den jeweiligen Schichten bereit, so dass ein Anstieg bei der Dehnungsempfindlichkeit erwartet werden kann.These layered structure provides an interface effect between the respective Layers ready, causing an increase in strain sensitivity can be expected.

Ferner werden bei dem vorliegenden Beispiel Material mit positiven TCR und ein Material mit negativen TCR zusammengestapelt, so dass selbst falls ein Material mit einer hohen Dehnungsempfindlichkeit für jede Schicht ausgewählt wird, es möglich ist, den TCR des Verspannungsmessgerätes als Ganzes zu verringern.Further in the present example, material with positive TCR and a material stacked together with negative TCR, leaving itself if a material with a high strain sensitivity for each layer selected it becomes possible is to reduce the TCR of the strain gauge as a whole.

Das heißt, wenn ein Material mit einer hohen Dehnungsempfindlichkeit als das Material für die erste Schicht 10a ausgewählt wird, ist der TCR der ersten Schicht 10a positiv und groß.That is, when a material having a high elongation sensitivity than the material for the first layer 10a is selected is the TCR of the first layer 10a positive and big.

Dabei wird ein Material mit einer angemessenen Dehnungsempfindlichkeit, deren TCR negativ und groß ist, als das Material für die zweite Schicht 10b ausgewählt.Thereby, a material having a reasonable strain sensitivity whose TCR is negative and large becomes the material for the second layer 10b selected.

Durch Kombinieren und Zusammenstapeln der ersten Schicht 10a und der zweiten Schicht 10b ist es möglich, den TCR des Verspannungsmessgerätes 10 als Ganzes zu reduzieren.By combining and stacking the first layer 10a and the second layer 10b it is possible to use the TCR of the tension measuring device 10 to reduce as a whole.

Somit erlaubt das Verspannungsmessgerät 10 als Ganzes eine Reduktion beim TCR, während die Dehnungsempfindlichkeit erhöht wird, und ist bezüglich der Empfindlichkeit und der Temperaturabhängigkeit überlegen. Wenn sie auf verschiedene Sensoren oder ähnliches angewendet wird, ermöglicht sie daher, dass eine Verbesserung bei der Leistungsfähigkeit derartiger Sensoren und dergleichen erzielt wird.Thus, the tension measuring device allows 10 as a whole, a reduction in the TCR, while the strain sensitivity is increased, and is superior in terms of sensitivity and temperature dependence. Therefore, when applied to various sensors or the like, it enables an improvement in the performance of such sensors and the like to be achieved.

Desweiteren seien die jeweiligen Temperaturkoeffizienten des Widerstandes der ersten Schicht 10a und der zweiten Schicht 10b gemäß 1 mit TCR 1 und TCR 2 bezeichnet. Unter der Annahme, dass die erste Schicht 10a und die zweite Schicht 10b parallel geschaltet sind, kann der TCR des Verspannungsmessgerätes 10 als Ganzes durch die nachstehend wiedergegebene Gleichung 1 ausgedrückt werden:

Figure 00110001
wobei R1 und R2 die jeweiligen elektrischen Widerstände der ersten Schicht 10a und der zweiten Schicht 10b zwischen den Elektroden 3 und 4 bei einer Temperatur T bezeichnen; R1' und R2' die jeweiligen Widerstände der ersten Schicht 10a und der zweiten Schicht 10b zwischen den Elektroden 3 und 4 bei einer Temperatur T' bezeichnen; ΔT die Temperaturdifferenz (ΔT = T – T') bezeichnet; α = R1'/Rl ist; und β = R2'/R2 ist.Furthermore, let the respective temperature coefficients of the resistance of the first layer 10a and the second layer 10b according to 1 designated TCR 1 and TCR 2. Assuming that the first layer 10a and the second layer 10b connected in parallel, the TCR of the tension measuring device 10 as a whole are expressed by Equation 1 given below:
Figure 00110001
where R1 and R2 are the respective electrical resistances of the first layer 10a and the second layer 10b between the electrodes 3 and 4 at a temperature T; R1 'and R2' are the respective resistances of the first layer 10a and the second layer 10b between the electrodes 3 and 4 at a temperature T '; ΔT denotes the temperature difference (ΔT = T - T '); α = R1 '/ R1; and β = R2 '/ R2.

Wenn geeignete Materialien ausgewählt werden, ermöglicht diese Gleichung die Steuerung des TCR-Wertes.If suitable materials selected become possible this equation controls the TCR value.

(Ausführungsbeispiele)(Embodiments)

Nachstehend ist das in 2 gezeigte Verspannungsmessgerät beschrieben.Below is the in 2 described tension measuring device described.

Während das in 1 gezeigte Verspannungsmessgerät eine Zweischichtstruktur aufweist, weist das in 2 gezeigte Verspannungsmessgerät 11 eine Dreischichtstruktur auf.While that in 1 has shown a two-layer structure shown in FIG 2 shown strain gauge 11 a three-layer structure.

Das Verspannungsmessgerät 11 setzt sich aus einer aus einem Material mit einer positiven TCR ausgebildeten ersten Schicht 11a und einer aus einem Material mit einem negativen TCR ausgebildeten zweiten Schicht 11b und einer Zwischenschicht 11c zusammen.The tension measuring device 11 is composed of a first layer formed of a material having a positive TCR 11a and a second formed of a material having a negative TCR layer 11b and an intermediate layer 11c together.

Genauer ist dieses Verspannungsmessgerät 11 so aufgebaut, dass es im Vergleich zu dem in der vorstehenden beschriebenen 1 gezeigten Verspannungsgerät die Zwischenschicht 11c aufweist. Der Aufbau ist im Übrigen derselbe, so dass dessen Beschreibung weggelassen wird.More precise is this strain gauge 11 constructed so that it compared to that described in the above 1 shown bracing the intermediate layer 11c having. Incidentally, the structure is the same, so the description thereof is omitted.

Die Zwischenschicht 11c wird dazu bereitgestellt, um eine wechselseitige Diffusion der Bestandteile der jeweiligen Materialien der ersten Schicht 11a und der zweiten Schicht 11b zu vermeiden, welche in Abhängigkeit von den Materialien für die Schichten beispielsweise beim Ausbilden der ersten und der zweiten Schicht auftreten kann. Die Zwischenschicht ist vorzugsweise beispielsweise aus Wolfram ausgebildet.The intermediate layer 11c is provided to allow for mutual diffusion of the constituents of the respective materials of the first layer 11a and the second layer 11b to avoid, which may occur depending on the materials for the layers, for example, in the formation of the first and the second layer. The intermediate layer is preferably formed of tungsten, for example.

Der vorstehend beschriebene Aufbau kann außerdem denselben Effekt wie der in 1 gezeigte bereitstellen.The structure described above may also have the same effect as that in FIG 1 provide shown.

Der Temperaturkoeffizient des Widerstandes des Materials für die Zwischenschicht 11c sei mit TCR 3 bezeichnet. Der TCR des Verspannungsmessgerätes 11 als Ganzes kann durch die nachstehend wiedergegebene Gleichung 2 ausgedrückt werden:

Figure 00120001
wobei R3 den elektrischen Widerstand der Zwischenschicht 11c zwischen den Elektroden 3 und 4 bei der Temperatur T bezeichnet; R3' den elektrischen Widerstand der Zwischenschicht zwischen den Elektroden 3 und 4 bei der Temperatur T' bezeichnet; und γ = R3'/R3 ist. Die anderen Symbole bezüglich der ersten Schicht 11a und der zweiten Schicht sind dieselben wie die bei Gleichung 1 verwendeten.The temperature coefficient of resistance of the material for the intermediate layer 11c be designated TCR 3. The TCR of the tension measuring device 11 as a whole, it can be expressed by Equation 2 given below:
Figure 00120001
where R3 is the electrical resistance of the intermediate layer 11c between the electrodes 3 and 4 denoted at the temperature T; R3 'the electrical resistance of the intermediate layer between the electrodes 3 and 4 at temperature T '; and γ = R3 '/ R3. The other symbols related to the first layer 11a and the second layer are the same as those used in Equation 1.

Wenn geeignete Materialien ausgewählt werden, ermöglicht diese Gleichung die Steuerung des TCR-Wertes.If suitable materials selected become possible this equation controls the TCR value.

Während bei der vorstehenden Beschreibung geschichtete Strukturen mit zwei oder drei Schichten als Beispiele verwendet werden, wird angemerkt, dass derselbe Effekt ebenfalls durch Anwenden einer geeigneten Multischichtstruktur mit Mehrfachschichten erhalten werden kann.While at the above description layered structures with two or three layers are used as examples, it is noted that the same effect also by applying an appropriate multilayer structure can be obtained with multiple layers.

Beispiele für das Material mit positivem TCR beinhalten ein allgemeines kristallines Metall (Chrom (Cr)), und Beispiele für das Material mit negativem TCR beinhalten ein amorphes Metall (beispielsweise ZrCu).Examples for the Positive TCR materials include a general crystalline one Metal (chromium (Cr)), and examples of the material with negative TCRs include an amorphous metal (eg, ZrCu).

Spezifische Beispiele, bei denen geeignete Materialien gemäß der vorstehenden Ausführungsbeispiele ausgewählt sind, sind nachstehend beschrieben.specific Examples in which suitable materials according to the preceding embodiments selected are described below.

(Beispiel 1)(Example 1)

Nachstehend ist der Fall beschrieben, bei dem ein Material für die aus einem Material mit positivem TCR ausgebildete erste Schicht Chrom (Cr) ist, bei dem das Material für die aus einem Material mit negativem TCR ausgebildete zweite Schicht eine Legierung aus Zirkonium und Kupfer (Zr61Cu39 (Atom-%), nachstehend als ZrCu bezeichnet) ist, die eine amorphe Legierung bildet, und bei dem das Material für die als Diffusionsbarrierenmaterial verwendete Zwischenschicht 11c Wolfram (W) ist, das ein Material mit positivem TCR ist.The following describes the case where a material for the first layer formed of a positive TCR material is Cr (Cr) in which the material for the second layer formed of a negative TCR material is an alloy of zirconium and copper (Zr 61 Cu 39 (atomic%), hereinafter referred to as ZrCu), which forms an amorphous alloy, and in which the material for the intermediate layer used as a diffusion barrier material 11c Tungsten (W) is a positive TCR material.

Zunächst wurden dünne Schichten aus ZrCu, W und Cr in dieser Reihenfolge auf einem Glassubstrat durch einen Zerstäubungsvorgang ausgebildet.At first were thin layers of ZrCu, W and Cr in this order on a glass substrate a sputtering process educated.

Danach wurde eine Au/W-Elektrode durch einen Zerstäubungsvorgang ausgebildet, und eine Wärmebehandlung wurde bei 300°C für vier Stunden in atmosphärischer Umgebung ausgeführt.After that an Au / W electrode was formed by a sputtering process, and a heat treatment was at 300 ° C for four Hours in atmospheric Environment executed.

Dabei betrug die Dicke der ZrCu-Schicht 300 nm, die der W-Schicht 25 nm, und die der Zr-Schicht 10 nm.there the thickness of the ZrCu layer was 300 nm, that of the W layer was 25 nm, and that of the Zr layer is 10 nm.

Der TCR und die Dehnungsempfindlichkeit der somit ausgebildeten geschichteten Lage (des Verspannungsmessgerätes) wurden gemessen.Of the TCR and the strain sensitivity of the thus formed layered Position (of the tension measuring device) were measured.

Der TCR wurde aus Widerstandsmessergebnissen berechnet, die durch ein digitales Multimeter im Bereich von –45° bis 131°C erhalten wurden, und die Dehnungsempfindlichkeit wurde aus der Änderungsrate bei dem Widerstand erhalten, wenn eine Verspannung durch eine Vierpunktbiegung aufgebracht wurde.The TCR was calculated from resistance measurement results obtained by a digital multimeter in the Range of -45 ° to 131 ° C were obtained, and the strain sensitivity was obtained from the rate of change in the resistance when a strain was applied by a four-point bend.

Zudem wurden zum Vergleich die jeweiligen TCR und Dehnungsempfindlichkeiten der Bestandteilmaterialien der geschichteten Lage gemessen.moreover were compared for the respective TCR and strain sensitivities of the constituent materials of the layered layer.

Zum Vergleich wurden ferner der TCR und die Dehnungsempfindlichkeit einer durch Ausbilden einer Dünnschicht (mit 300 nm Schichtdicke) aus Ni78Cr22 (Atom-%) (= Ni80Cr20 (Gewichts-%)) auf einem Glassubstrat durch einen Zerstäubungsvorgang erhaltene Struktur ebenfalls gemessen.Further, for comparison, the TCR and the elongation sensitivity of a structure obtained by forming a thin film (having a film thickness of 300 nm) of Ni 78 Cr 22 (atomic%) (= Ni 80 Cr 20 (% by weight)) on a glass substrate by a sputtering process also measured.

Tabelle 1 zeigt die Messergebnisse.table 1 shows the measurement results.

Figure 00150001
Tabelle 1
Figure 00150001
Table 1

Das Symbol G bezeichnet das Glassubstrat.The Symbol G denotes the glass substrate.

Wie aus Tabelle 1 ersichtlich ist, war es möglich, die Dehnungsempfindlichkeit zu erhöhen und den Temperaturkoeffizienten des Widerstandes (TCR) zu verringern, was das Erzielen einer Verbesserung bezüglich der Leistungsfähigkeit ermöglichte.As from Table 1, it was possible to increase the strain sensitivity to increase and reduce the temperature coefficient of resistance (TCR), what about achieving an improvement in performance allowed.

(Beispiel 2)(Example 2)

Nachstehend ist der Fall beschrieben, bei dem die aus einem Material mit positivem TCR ausgebildete erste Schicht aus einer Mehrfachschichtlage aus Chrom (Cr) und Wolfram (W) besteht, und bei dem die aus einem Material mit negativem TCR ausgebildete zweite Schicht aus Tantal (Ta) besteht.below the case is described in which the material of a positive TCR formed first layer of a multi-layer layer Chromium (Cr) and tungsten (W) consists, and in which the one of a material formed with negative TCR second layer of tantalum (Ta) consists.

Zunächst wurde eine Mehrfachschichtlage aus abwechselnd zusammengestapelten Cr- und W-Schichten (bei der fünf Cr-Schichten und vier W-Schichten zur Bildung der ersten Schicht abwechselnd gestapelt sind) auf einem Glassubstrat durch einen Zerstäubungsvorgang ausgebildet. Danach wurde eine Ta-Dünnschicht darauf mit einer Dicke von 154 nm ausgebildet.At first was a multi-layer layer of alternately stacked Cr and W layers (at the five Cr layers and four W layers alternately stacked to form the first layer are formed on a glass substrate by a sputtering process. After that, a Ta thin film was formed formed thereon with a thickness of 154 nm.

Unter Verwendung von Gleichung 1 für den Erhalt des TCR wurde die Dicke jeder Schicht derart eingestellt, dass der TCR ungefähr 40 ppm/K betrug.Under Using Equation 1 for obtaining the TCR, the thickness of each layer was adjusted that the TCR is about 40 ppm / K.

Danach wurde eine Au/W-Elektrode durch einen Zerstäubungsvorgang ausgebildet, und eine Wärmebehandlung wurde in atmosphärischer Umgebung bei 300°C für vier Stunden ausgeführt.After that an Au / W electrode was formed by a sputtering process, and a heat treatment was in atmospheric Environment at 300 ° C for four Hours running.

Der TCR und die Dehnungsempfindlichkeit der somit ausgebildeten geschichteten Lage (des Verspannungsmessgerätes) wurden gemessen.Of the TCR and the strain sensitivity of the thus formed layered Position (of the tension measuring device) were measured.

Das Messverfahren und ähnliches waren dasselbe wie bei Beispiel 1. Ferner wurden wie bei Beispiel 1 die jeweiligen TCR und Dehnungsempfindlichkeiten der Bestandteilmaterialien der geschichteten Lagen ebenfalls gemessen.The Measuring method and the like were the same as in Example 1. Further, as in Example 1 the respective TCR and strain sensitivities of the constituent materials the layered layers also measured.

Tabelle 2 zeigt die Messergebnisse.table 2 shows the measurement results.

Figure 00170001
Tabelle 2
Figure 00170001
Table 2

Das Symbol G bezeichnet das Glassubstrat.The Symbol G denotes the glass substrate.

Wie aus Tabelle 2 ersichtlich ist, war eine Erhöhung der Dehnungsempfindlichkeit und eine Verringerung des Temperaturkoeffizienten des Widerstandes (TCR) möglich, womit eine Verbesserung bezüglich der Leistungsfähigkeit erzielt wurde.As from Table 2 was an increase in strain sensitivity and a reduction in the temperature coefficient of resistance (TCR) possible, with an improvement regarding the efficiency was achieved.

Gemäß vorstehender Beschreibung weist erfindungsgemäß ein Verspannungsmessgerät eine geschichtete Struktur auf, die eine aus einem Material mit einem positiven TCR ausgebildete Schicht und eine aus einem Material mit einem negativen TCR ausgebildete zweite Schicht beinhaltet, wodurch eine Erhöhung der Dehnungsempfindlichkeit und eine Verringerung des Temperaturkoeffizienten des Widerstandes möglich ist, und somit eine Verbesserung bei der Leistungsfähigkeit erzielt wird.According to the above Description according to the invention has a stress measuring a layered Structure on, the one made of a material with a positive TCR trained layer and one made of a material with a negative TCR formed second layer, thereby increasing the Strain sensitivity and a reduction of the temperature coefficient the resistance is possible and thus an improvement in performance is achieved.

Die erste Schicht ist vorzugsweise aus einem kristallinen Metallmaterial ausgebildet, und die zweite Schicht ist vorzugsweise aus einem amorphen Metall oder Tantal ausgebildet.The The first layer is preferably made of a crystalline metal material formed, and the second layer is preferably made of an amorphous Metal or tantalum formed.

GEWERBLICHE ANWENDBARKEITCOMMERCIAL APPLICABILITY

Gemäß vorstehender Beschreibung ist das erfindungsgemäße Verspannungsmessgerät zur Verwendung bei einem Automobildrucksensor, einem Drucksensor zur Messung von Druck und Last, einer Messdose usw. geeignet.According to the above Description is the strain gauge according to the invention for use in an automotive pressure sensor, a pressure sensor for measuring Pressure and load, a load cell, etc. suitable.

Claims (5)

Verspannungsmessgerät (11) mit einer geschichteten Struktur mit einer ersten Schicht (11a), einer zweiten Schicht (11b) und einer Zwischenschicht (11c), die von der ersten Schicht und der zweiten Schicht sandwichartig umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht aus einem Material ausgebildet ist, dessen Temperaturkoeffizient des Widerstands positiv ist, die zweite Schicht aus einem Material ausgebildet ist, dessen Temperaturkoeffizient des Widerstands negativ ist, und die Zwischenschicht dazu bereitgestellt ist, um eine wechselseitige Diffusion der Bestandteile der jeweiligen Materialien der ersten Schicht (11a) und der zweiten Schicht (11b) zu vermeiden.Tension measuring device ( 11 ) having a layered structure with a first layer ( 11a ), a second layer ( 11b ) and an intermediate layer ( 11c ) sandwiched by the first layer and the second layer, characterized in that the first layer is formed of a material whose temperature coefficient of resistance is positive, the second layer is formed of a material whose temperature coefficient of resistance is negative , and the intermediate layer is provided for facilitating mutual diffusion of the constituents of the respective materials of the first layer ( 11a ) and the second layer ( 11b ) to avoid. Verspannungsmessgerät nach Anspruch 1, wobei die erste Schicht aus einem kristallinen Metallmaterial ausgebildet ist.A tension measuring device according to claim 1, wherein the first layer formed of a crystalline metal material is. Verspannungsmessgerät (11) mit einer geschichteten Struktur mit einer ersten Schicht und einer zweiten Schicht, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht aus einer Mehrfachschicht ausgebildet ist, die aus Chrom und Wolfram besteht, und die zweite Schicht (11b) aus einem Material ausgebildet ist, dessen Temperaturkoeffizient des Widerstands negativ ist.Tension measuring device ( 11 ) having a layered structure with a first layer and a second layer, characterized in that the first layer is formed of a multi-layer consisting of chromium and tungsten, and the second layer ( 11b ) is formed of a material whose temperature coefficient of resistance is negative. Verspannungsmessgerät nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die zweite Schicht aus einem amorphen Metall ausgebildet ist.Stress measuring device according to claim 1, 2 or 3, wherein the second layer is formed of an amorphous metal. Verspannungsmessgerät nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die zweite Schicht aus Tantal ausgebildet ist.Stress measuring device according to claim 1, 2 or 3, wherein the second layer is formed of tantalum.
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